【導讀】在當前幾乎所有以數(shù)字為中心的系統(tǒng)中，模擬IC仍然是一個關鍵組件。通常來講，模擬IC市場的增長/下降速度比整個IC市場的增長/下降速度要慢，但2021年的市場情況恰好相反。
今年6月份，半導體行業(yè)發(fā)布了兩條引人關注的消息：
一是IC Insights在其5月份發(fā)布的（2022 McClean Report）Q2的更新中提到，2021年，Taxes Instruments（TI）憑借141億美元的模擬銷售額和19%的市場份額，繼續(xù)保持其作為全球領先模擬IC供應商的穩(wěn)固地位；二是今年下半年全球模擬芯片供貨緊張的問題將出現(xiàn)轉機，原因是TI表示到第三季度公司芯片產(chǎn)能緊缺情況將得到緩解。
為此，行業(yè)人士將其解讀為：若下半年TI的產(chǎn)能得到提升，則整個模擬芯片行業(yè)的供貨都將得到緩解，芯片價格也將下跌。
在當前幾乎所有以數(shù)字為中心的系統(tǒng)中，模擬IC仍然是一個關鍵組件。通常來講，模擬IC市場的增長/下降速度比整個IC市場的增長/下降速度要慢，但2021年的市場情況恰好相反。
IC Insights在其（2022 McClean Report）Q1報告中指出，2020年爆發(fā)的新冠病毒對全球經(jīng)濟帶來了巨大沖擊，然而，2021年的模擬IC市場卻出現(xiàn)了前所未有的30%激增，與之對應的是整個IC市場的增幅為26%。預計2022年模擬IC將再次實現(xiàn)兩位數(shù)的市場增長，增幅達到12%，總銷售額約為832億美元，出貨量將增長11%，達到2,387億只（圖1）。
圖1：模擬市場銷售情況及2022年預測
（圖源：IC Insights）
因突出的增長力度和廣度，去年的模擬IC市場有可能成為一個值得銘記的市場。IC Insights的數(shù)據(jù)顯示，2021年整個模擬市場的銷售額創(chuàng)下了741億美元的歷史新高。其中，全球前十大模擬產(chǎn)品供應商占去了銷售額的68%。強勁的需求合并供應鏈中斷問題，致使去年模擬IC的平均售價（ASP）上漲了6%。在此之前，模擬產(chǎn)品ASP增長的年頭要回溯到17年前的2004年。2022年，IC Insights跟蹤的每個主要通用模擬和特定應用模擬市場類別預計都會出現(xiàn)銷售增長，比如細分市場的放大器和比較器約增長7%，汽車特定應用模擬IC的增長將高達17%。
模擬技術：物聯(lián)網(wǎng)中不可或缺的關鍵技術
在很多人的印象中，如今的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）大部分創(chuàng)新都集中在數(shù)字技術上。從盡人皆知的云計算，到近年來炙手可熱邊緣智能，這其中數(shù)字技術的推動作用大家有目共睹。不過，在討論中也許我們都忽略了這樣一個事實，即物聯(lián)網(wǎng)的邊緣實際上仍然是模擬的，系統(tǒng)必須借助光、壓力、溫度、位置等檢測方案才能獲取關鍵數(shù)據(jù)。換句話說，物聯(lián)網(wǎng)實際上是對模擬源生成的數(shù)據(jù)進行一系列智能處理后所采取的行動，即：模擬部件 + 數(shù)字連接及處理 = 有效的物聯(lián)網(wǎng)部署。
由于模擬技術位于網(wǎng)絡的最邊緣，模擬層的質(zhì)量最終決定了系統(tǒng)中其他一切的質(zhì)量。有噪聲的模擬前端會導致數(shù)字信息失真，對整個系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。只有把模擬部分做好，數(shù)字應用才會更好。此外，對于控制流程的物聯(lián)網(wǎng)應用程序，數(shù)字信息也必須在邊緣準確地轉換回模擬信號。盡管設計工程師普遍認為，為支持物聯(lián)網(wǎng)而開發(fā)的大多數(shù)新產(chǎn)品都是在數(shù)字領域，但在未來的許多年里，模擬技術仍將在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮關鍵作用。
信號鏈是模擬技術的基礎，其目的是在實時信息分析的基礎上收集和處理數(shù)據(jù)。通常，模擬信號鏈產(chǎn)品是指擁有對模擬信號進行收發(fā)、轉換、放大、過濾等處理能力的集成電路。按照功能劃分，模擬信號鏈芯片可以分為線性產(chǎn)品、轉換器產(chǎn)品、接口產(chǎn)品、時鐘和定時產(chǎn)品等。其中，線性產(chǎn)品主要包括放大器和比較器，轉換器指的是模數(shù)轉換器（ADC）和數(shù)模轉換器（DAC）等。
模擬信號鏈產(chǎn)品的設計考慮
在物聯(lián)網(wǎng)中，傳感信號與無限變化的物理參數(shù)有關，比如溫度、光線、壓力、接近度、速度和觸摸，以及流體和液體（包括煙霧、氣體等）等。傳感器輸出的都是幅值較小的電壓或電流信號，很難直接轉換為數(shù)字信號，轉換之前必須先要進行信號調(diào)理。這里的信號調(diào)理技術實際上就是將傳感器輸出的模擬信號在經(jīng)過放大、濾波、線性化補償、隔離、保護等措施后，使其適合模/數(shù)轉換器（ADC）的輸入。采用關鍵的信號調(diào)理技術可以將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體性能和精度提高10倍。
圖2為典型的IoT系統(tǒng)工作框圖。如圖所示，信號鏈從感知模擬世界的傳感器開始，接下來是信號放大器、數(shù)據(jù)轉換器、接口以及時鐘和定時電路等。一個物聯(lián)網(wǎng)設備的成功運行在很大程度上取決于這些器件的參數(shù)選擇。接下來我們就聊一聊物聯(lián)網(wǎng)設備中放大器和數(shù)據(jù)轉換器這兩大關鍵器件的選擇。
圖2：IoT系統(tǒng)工作框圖，其中紅色部分為所涉及的模擬信號鏈產(chǎn)品（圖源：TI）
運算放大器的選擇
前文已經(jīng)提到，在收集壓力、溫度、振動和光照等信息，并將其將轉移到數(shù)字域之前，確保信號的準確性非常重要。為了獲得最佳的信噪比（SNR），我們需要設計一個低噪聲模擬前端和一個能夠以高精度捕獲傳感器信號的ADC。雖然現(xiàn)在器件的集成度越來越高，但有時為了讓設計具有更多的可控性和靈活性，工程師們?nèi)匀皇褂脝为毜倪\算放大器而不是集成的模擬前端。目前，市場上主要的運算放大器IC供應商有ADI、TI、STMicroelectronics（ST）、ROHM、Microchip、Renesas和NXP等，他們向市場上提供了數(shù)以萬計的產(chǎn)品供設計師選擇。
在尋找最佳運算放大器時，設計師一定要充分考慮放大器是否會降低ADC或DAC的性能，同時還需要考慮信號范圍、增益、靜態(tài)和動態(tài)負載以及電源電壓。以下是市場上幾款性價比較高的運算放大器。
ST TSV772運算放大器
ST的TSV772運算放大器是一種雙運放，屬于公司高性能5V運放系列，可在2V低電壓下工作，具有軌到軌輸入和軌到軌輸出，增益帶寬積（GBW）20MHz，單位增益穩(wěn)定，壓擺率13V/μs，輸入電壓噪聲7nV/rtHz，4kV ESD防護能力（HBM），是一款強大的全能型產(chǎn)品。TSV772的特點是輸出電容為47pF，簡化了作為A/D轉換器輸入緩沖器的使用。該器件甚至可以在電池深度放電的情況下運行，推薦應用包括煙霧探測器、太陽能發(fā)電機、電信基礎設施設備和計算機服務器等。
圖3：TSV772運算放大器（圖源：貿(mào)澤電子）
ADI ADA4077-2雙通道放大器
ADI公司的ADA4077-2雙通道放大器是一種高精度運算放大器，設計用于過程控制、化學和環(huán)境監(jiān)測、電機控制等。在1kHz時ADA4077-2的典型帶寬為3.9MHz，電壓噪聲為7nV/rtHz。在25℃時，標稱電源電壓為±15Vdc時的典型功耗僅為400μA。該器件有兩個等級可供偏置和熱漂移使用，為設計工程師提供了滿足預算和封裝要求的靈活性。ADA4077-2被認為是為過程控制輸入模塊等應用設計傳感器接口的理想前端放大器。
圖4：TSV772運算放大器（圖源：貿(mào)澤電子）
TI OPAx320/OPAx320-Q1 COS運算放大器
TI公司的OPAx320/OPAx320-Q1 COS運算放大器是低功耗、單電源應用的理想選擇，具有低噪聲（7nV/rtHz）和高速運算特性，非常適用于驅(qū)動采樣ADC，還可用于信號調(diào)理和傳感器放大等應用場合。該系列TI運算放大器采用了零交越失真的線性輸入級設計，在整個輸入范圍內(nèi)具有出色的共模抑制比（CMRR），典型值為114dB。其輸入共模范圍在正負電源軌上擴展了100mV。輸出電壓的軌內(nèi)典型擺幅小于10mV。OPAx320/OPAx320-Q1的電源電壓范圍較寬，為1.8V至5.5V，在整個供電范圍內(nèi)具有出色的電源抑制比（106dB）。
圖5：OPAx320/OPAx320-Q1 COS運算放大器
（圖源：貿(mào)澤電子）
如果你打算尋找一個小型運算放大器。TI的TLV9061為單5.5V，具有軌對軌輸入和輸出擺動功能。該器件價格不高，尺寸小巧，專門為低壓操作（1.8V至5.5V）設計，性能規(guī)格類似于OPAx316和TLVx316設備。其應用包括：電動自行車、煙霧探測器、暖通空調(diào)（HVAC）、電機控制、可穿戴設備、傳感器信號調(diào)節(jié)、條形碼掃描儀等。
A/D轉換器的選擇
與一些數(shù)字電路相比，設計混合信號和模擬信號會帶來更多的復雜性。A/D轉換器的目的是對輸入進行量化，這意味著轉換器會引入少量誤差。A/D轉換器的總體性能實際上是一系列參數(shù)（如熱噪聲、抖動和量化噪聲）的體現(xiàn)。目前市場上有三種最流行的ADC架構，分別是逐次逼近（SAR）ADC、∑-Δ ADC和Pipeline ADC，相應的產(chǎn)品種類多達數(shù)千個。要想為特定應用選擇合適的ADC似乎是一項艱巨的任務。在IoT設備中，很大一部分方案可以由逐次逼近（SAR）ADC和∑-Δ ADC來完成。
圖6：不同的ADC架構所對應的應用、分辨率以及采樣率（圖源：ADI）
ADI AD7983模數(shù)轉換器
ADI的AD7983模數(shù)轉換器是一款16bit、逐次逼近（SAR）ADC，采用單電源供電。它內(nèi)置一個低功耗、高速、16位采樣ADC和一個多功能串行接口端口。在CNV上升沿，該器件對IN+與IN-之間的模擬輸入電壓差進行采樣，范圍從0V至REF?；鶞孰妷海≧EF）由外部提供，并且可以獨立于電源電壓（VDD）。功耗和吞吐速率呈線性變化關系。SPI兼容串行接口還能夠利用SDI輸入，將幾個ADC以菊花鏈形式連接到一條三線式總線上，并提供可選的繁忙指示。非常適合電池供電設備、數(shù)據(jù)采集等應用。
圖7：AD7983模數(shù)轉換器（圖源：貿(mào)澤電子）
TI ADS1278模數(shù)轉換器
TI的ADS1278模數(shù)轉換器是一款適和寬帶寬應用的24位、144kSPS 8通道同步采樣Δ-ΣADC，它的內(nèi)部集成有多個獨立的高階斬波穩(wěn)定調(diào)制器和FIR數(shù)字濾波器，可實現(xiàn)8通道同步采樣，支持高速、高精度、低功耗、低速4種工作模式。同時，ADS1278具有優(yōu)良的AC和DC特性，采樣率最高可以達128Ks／s，62kHz帶寬時信噪比可達111dB，失調(diào)漂移為0.8μV／℃。數(shù)據(jù)輸出可選幀同步或SPI串行接口，每個接口均支持菊花鏈連接，可應用于要求嚴格的多通道信號采集系統(tǒng)，如振動分析、醫(yī)療監(jiān)控、動態(tài)應變測量設備等。
圖8：ADS1278模數(shù)轉換器（圖源：貿(mào)澤電子）
為了節(jié)省開發(fā)時間，設計師還可以選擇使用TI提供的ADS1278EVM-PDK評估模塊，這是一套完整的評估/演示套件，它將ADS1278EVM與用作主板的基于DSP的MMB0板組合在一起。該套件包括主板和ADCPro評估軟件，可與運行Microsoft Windows操作系統(tǒng)的個人電腦配合使用，以實現(xiàn)對ADS1278器件的完整評估。
本文小結
雖然當前的數(shù)字物聯(lián)網(wǎng)邊緣設備能夠同時處理多個任務，但模擬傳感器在大多數(shù)情況下依然僅限于信號增強功能。然而，正是因為模擬信號的準確性要求與物聯(lián)網(wǎng)的應用密切相關，所以也更加體現(xiàn)了模擬技術在物聯(lián)網(wǎng)中的重要性。也許這也是模擬和數(shù)字技術通吃的設計師非常搶手的原因。
傳感器、放大器、數(shù)據(jù)轉換器，這些都是收集和傳輸數(shù)據(jù)的器件，它們的存在為物聯(lián)網(wǎng)更廣闊的應用前景提供了動力。作為物聯(lián)網(wǎng)的起點，物聯(lián)網(wǎng)工程師需要了解，工程上的挑戰(zhàn)是在數(shù)字化之前控制信號保真度、放大和濾波，因此，無論是差分放大器、運算放大器還是其他放大器，設計師必須要掌握放大器的基本原理。
另一方面，雖然物聯(lián)網(wǎng)中的一些數(shù)字傳感器集成度已經(jīng)做到非常高，集成的ADC既可以降低開發(fā)工作量和成本，又可以減少驅(qū)動設備所需的功率，但不可否認的是本地模擬通常可以更準確地表示數(shù)據(jù)源，單獨的A/D轉換器其作用仍然至關重要。
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